基于MODBUS协议的变频器通讯控制的实现

作者：—韩中海

来源：《科技视界》 2012年第18期

韩中海

（许昌供电公司 河南 许昌 461000）

【摘 要】本文是基于MODBUS协议的变频器通讯控制的实现。本设计主要分析的是以变频器的控制芯片DSP TMS320LF2406A为核心，通过DSP芯片的串行通讯口（SCI接口）实现数据的底层收发，采用MODBUS为应用层通信协议，底层物理线路采用RS485差分信号传输数据，与上位机（电脑）构成主、从式交互通讯系统，实现对变频器的远程通讯及控制功能。

【关键词】TMS320LF2406A；变频器；MODBUS协议；485电路

The Implementation of the Inverter Communication Control Based on MODBUS Protocol

HＡＮ Zhong-hai

（Xuchang Electric Power Company，Xuchang Ｈｅｎａｎ，461000，China）

【Abstract】This article is based on MODBUS protocol to achieve inverter

communication and control. The design of the main analysis is based on the core of the inverter control chip DSP TMS320LF2406A, the underlying data transceiver through the DSP chip serial communication interface (SCI interface), using the MODBUS application as the layer communication protocol, using the RS485

differential signaling data as the underlying physical lines, to constitute the interactive communication system with the host computer (PC) from the main to the second and to remote the inverter of communications and control functions.

【Key words】TMS320LF2406A；Inventer；MODBUS protocol；485 electrocircuit

０ 绪论

电机变频调速是电力电子技术应用的最大领域之一，具有极大的吸引力，同时也具有较强的挑战性。

目前，我国国产变频器的生产，主要是交流380V的中小型变频器，且大部分产品为低压，而高压大功率则很少，能够研制、生产并提供服务的高压变频器厂商更少，不过是少数几个具备科研能力或资金实力强的企业。我国高压变频器的品种和性能，还处于发展的初步阶段，仍需大量从国外进口[1]。

变频器的控制方式发展趋势主要有数字控制变频器的实现、多种控制方式的结合、远程控制的实现、绿色变频器等。其中远程控制的实现是依靠计算机网络对变频器进行远程控制的，通过RS485接口以及一些合适的网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。

鉴于变频器有着广泛的用途和比较显著的节能效果，对变频器进行开发应用是有一定市场前景的。总结市场上常见的变频器类型，本文所依据的变频器的系统组成有以下几个部分[2]：

（1）控制板系统，以TI公司的DSP TMS320LF2406A为核心，实现系统的整体控制功能。板上包括：由CPU电源、晶振、复位监控、仿真调试接口电路、数字量输入及输出电路、模拟量输入及输出电路、485通讯控制电路，逆变器输出电流检测反馈电路等。

（2）电源及驱动板系统，包括交流输入电源整流滤波电路、开关电源系统、智能功率模块（IPM）实现的逆变电路、及电流反馈检测调理电路等。

（3）按键显示板，包括按键电路、数码管显示及LED灯指示驱动电路。

１ 通讯控制系统方案的具体的设计

通讯控制系统方案所做的主要工作是在基本理解变频器结构组成的基础上，重点理解完善变频器远程通信控制系统的设计。因此本篇论文主要分析的是以变频器的控制芯片DSP

TMS320LF2406A为核心，通过DSP芯片的串行通讯口（SCI接口）实现数据的底层收发，采用MODBUS应用层通信协议，底层物理线路采用RS485差分信号传输数据，与上位机（电脑）构成主、从式交互通讯系统。从而使变频器的操作人员可以方便地实现对变频器的远程通讯及控制功能[3]。

１.1 主电路结构

主电路采用典型的交-直-交电压源型通用变频器结构。交-直-交变频器的主电路框图如图２所示。主电路设计包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。

整流电路把电源提供的交流电（AC）压变换为直流电（DC）。中间电路分为滤波电路和制动电路等不同的形式，滤波电路是对整流电路的输出进行电压或电流滤波，经大电容滤波的直流电提供给逆变器的称为电压型逆变器，经大电感滤波的直流电提供给逆变器的称为电流型逆变器；制动电路是利用设置在直流回路中的制动电阻或制动单元吸收电动机的再生电能实现动力制动。逆变电路是将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，逆变电路中采用集成功率模块，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性[4]。

１.2 MODBUS协议功能简介

MODBUS是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。自从1979年出现工业串行链路的事实标准以来，MODBUS使成千上万的自动化设备能够通信。因此MODBUS 协议是一种可靠而有效的工业控制系统通信协议。

MODBUS 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。通用MODBUS帧结构如图3所示。

在RTU模式中，新的数据帧传送总是以至少3.5个字节的传输时间静默作为开始。在以波特率计算传输速率的网络上，3.5个字节的传输时间可以轻松把握。紧接着传输的数据域依次为：从机地址、操作命令码、数据和CRC校验字，每个域传输字节都是十六进制的0-9，A-F。网络设备始终监视着通讯总线的活动，即使在静默间隔时间内。当接收到第一个域（地址信息），每个网络设备都对该字节进行确认。随着最后一个字节的传输完成，又有一段类似的3.5个字节的传输时间间隔，用来表识本帧的结束，在此以后，将开始一个新帧的传送。

一个帧的信息必须以一个连续的数据流进行传输，如果整个帧传输结束前超过1.5个字节以上的间隔时间，接收设备将清除这些不完整的信息，并错误认为随后一个字节是新一帧的地址域部分，同样的，如果一个新帧的开始与前一个帧的间隔时间小于3.5个字节时间，接收设备将认为它是前一帧的继续，由于帧的错乱，最终CRC校验值不正确，导致通讯故障[5]。

２ 硬件电路设计

硬件电路的设计主要包括电源系统的设计、复位电路与通讯驱动电路的设计、RS485通讯转换电路设计，其中重点介绍485通讯电路设计。依据通讯硬件电路设计，可知电路实现DSP芯片输出的TTL电平与485电平的转换电路。电路以485转换芯片为核心，RO、DI、DE、RE这几个端是TTL电平，A、B端是485差分电平。ACT244是DSP到485芯片的驱动电路，起到电平缓冲、转换作用。接收电路，单独用了一个反相器，到DSP的SCI接收端。至于差分信号输出端A、B端后边接的元件，是为了提高信号抗干扰性，还有使A/B端在平常状态下，有一个固定的状态。

２.1 电源系统设计

系统电源驱动板包括整流电路、开关电源电路、逆变电路、电流检测电路及风扇驱动电路等。工业用的交流电经过整流成为直流，经过大电容平滑滤波储能得到直流母线电压，然后母线电压输入经过开关电源系统，可以转换出+5V、±15V、±24V几种电压。而DSP芯片仅由一个外部5V电源供电，由于TMS320LF2406A芯片供电正常工作电压只能是3.3V，所以在设计电路时，需要将5V电源变换为3.3V给CPU供电，因此使用了TI公司的5V/3.3V电源转换芯片ASM117，+5V电压经过ASM117电源转换芯片转换成+3.3V的电压给DSP控制芯片供电[6]。

AMS1117系列电源转换芯片有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。AMS1117应用极多，可作为高效线性稳压器或者后置稳压器，例如交换式电源5V至3.3V线性稳压器、电池充电器、有源SCSI终端笔记本电源管理、电池供电设备。

如图４所示，是+5V到+3V电平转换电路。电路中主要使用了AMS1117芯片，为DSP控制芯片提供+3.3V的工作电压。图中的小电感起电源隔离的作用，输入和输出端的极性电容与无极性电容起滤除电源纹波的作用。

２.2 复位电路与通讯驱动电路的设计

通讯实现的外围连接电路如图４所示，在第三章的总体概述中已经讲解了图４所示的电路的整体流程，其中MAX708具有比较器手动复位输入两组复位电平输出的微处理器电源监控芯片。MAX708是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号复位信号。可由VCC电压、手动复位输入或由的比较器触发，的比较器可用于监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能。这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报、或电源切换而考虑的。

２.3 485通讯转换电路设计

由于实际应用中，是电脑PC机对DSP芯片进行程序的传输与通讯控制，所以必须进行外围的电平转换。电脑输出的是232标准的电平，而DSP芯片输出/接收的是TTL电平，所以232电平经过485/232转换器，变成485差分电平，通过一个485转换芯片就实现了TTL电平到485电平的变换，所以在经过485转换芯片，就成为DSP可以正常运行的TTL电平，以此形成一个数据输入与输出的循环过程。

图７为485通讯转换电路，通讯转换的过程主要应用了MAX483芯片。图中的的电感起到滤波、抗干扰的作用；双向二极管可抑制线路上的高电压干扰信号；差分电路中上接+5V电阻与下接地电阻分别为上拉电阻与下拉电阻，线路中间为匹配电阻，上拉与下拉电阻是为了让线路在空闲的状态下，有一个确定的电平，从而使线路上有一个确定的信号；图中SN74HC14D为单反相器，图中使用2个单反相器连接是为了给DSP芯片提供+3.3V电压的同时还滤波的作用保证信号的高低电平不改变从而正确传输。

３ 结论

本文是基于MODBUS协议的DSP串口与变频器通信控制的设计，以变频器与计算机的串行通讯为例介绍了变频器应用中与计算机通讯设计与实现。通过设计和构思变频器与计算机的串行通讯，主要介绍了变频器应用中与计算机通讯设计与实现，其中包括变频器通讯的硬件电路连接、通讯协议以及通讯连接与控制方式的实现，并做出了通讯实验结果。

在变频调速系统中，通常采用串口通讯的方式为实现变频器与上位机的远距离通信的。所以这种通讯的控制方式不仅能够实现对变频器工作状态进行切实时监测与控制,而且该应用在实际操作中不仅外围的接线简单、便于组织网络，还可使变频器具有更高抗干扰性和更强的工作

稳定性,因此变频器在优化变频调速系统的远程设计、监测与控制，实现工业控制领域的网络化、智能化等方面具有重大的意义。

【参考文献】

［1］徐世许，王凤杰，纪志坚.使用通信协议宏实现PLC对变频器的监控[J].自动化仪表，2007，1：37-39.

［2］高双，蔡成涛，朱齐丹.基于MODBUS通信协议的共锥度监控系统[J]．微计算机信息，2007，23（01）：18-20.

［3］韩安荣.通用变频器及其应用[M].机械工业出版社，2000：5-8.

［4］王晓明.电动机的DSP控制[M].北航出版社，2006：25-26.

［5］彭启琮，李玉柏.DSP技术[M].电子科技大学出版社，1997：13-15.

［6］丁美玉，高西全.数字信号处理[M].西安电子科技大学出版社，1997：14-16.

［责任编辑：周娜］